Hoge-resolutie structurele Magnetic Resonance Imaging van de Human subcortex In Vivo En Postmortem

Summary

Hier presenteren we een protocol om het minimale aantal beelden te bepalen dat geregistreerd en gemiddeld moest worden om subcorticale structuren op te lossen en te testen of de individuele lagen van de LGN op te lossen waren bij afwezigheid van fysiologische ruis.

Abstract

De focus van deze studie was om de resolutie grenzen van structurele MRI van een postmortem hersenen vergeleken met levende menselijke hersenen te testen. De resolutie van de structurele MRI in vivo uiteindelijk beperkt door fysiologische geluid, waaronder trilling, ademhaling en beweging van het hoofd. Hoewel beeldvormende hardware blijft verbeteren, is het nog steeds moeilijk om structuren te lossen op millimeterschaal. Bijvoorbeeld, de primaire visuele gevoelsbanen synaps in de laterale geniculate nucleus (LGN), een visueel relais en controle nucleus in de thalamus die normaal is georganiseerd in zes interleaved monoculaire lagen. Neuroimaging studies zijn niet in staat om op betrouwbare wijze te onderscheiden deze lagen vanwege hun geringe omvang die minder dan 1 mm dik is.

De oplossing maximaal aantal structurele MRI, een postmortem hersenen werd getest met meerdere beelden gemiddeld over een lange duur (~ 24 uur). Het doel was om te testen of het mogelijk is de individuele l lossenAyers van LGN in afwezigheid van fysiologische ruis. Een proton dichtheid (PD) ¹ gewogen pulsreeks werd gebruikt met variërende resolutie en andere parameters om het minimum aantal beelden moeten worden geaccrediteerd en gemiddeld betrouwbaar onderscheiden LGN en andere subcorticale gebieden. De resultaten werden eveneens vergeleken met beelden die in levende menselijke hersenen. In vivo proefpersonen werden om de extra effecten van fysiologische ruis bepaalt het minimum aantal PD scans nodig subcorticale structuren bruikbaar bij klinische toepassingen onderscheiden gescand.

Introduction

Het doel van dit onderzoek was om de resolutie grenzen van structurele MRI testen zonder fysiologische ruis. Proton dichtheid (PD) gewogen beelden werden in een postmortem brain verworven gedurende een lange duur (twee ~ 24 uur sessies) om het minimum aantal beelden dat moest worden geaccrediteerd en gemiddeld om de subcorticale structuren lossen. Ter vergelijking werden gewogen PD beelden verwierf ook in levende mensen over een aantal sessies. In het bijzonder was het doel na te gaan of het mogelijk is in een best-case scenario voor alle zes afzonderlijke lagen van de menselijke LGN, die ongeveer 1 mm dik (figuur 1) op te lossen.

Figuur 1. Human corpus geniculatum laterale lagen. Schematische weergave van de gelaagde structuur van de LGN. Magnocellular (M) lagen bestaan ​​uit grotere neuronalecelgrootte en kleinere celdichtheid die verantwoordelijk zijn voor het oplossen van beweging en natuurlijk contouren zijn (lagen 1-2, afgebeeld als donkergrijs). Parvocellulaire lagen (P) bestaan ​​uit kleinere neuronale cellen en grotere celdichtheid die verantwoordelijk zijn voor het oplossen van fijne vorm en kleur (lagen 4-6, afgeschilderd als het licht grijs) zijn. Schaal bar 1 mm. Cijfer gebaseerd op gekleurd menselijk LGN ^12.

Ruimtelijke resolutie in MRI wordt verbeterd wanneer de matrix grootte wordt verhoogd, en wanneer het veld of-view (FOV) en slice dikte zijn verminderd. Echter, hogere resolutie vermindert de signaal-ruisverhouding (SNR), die evenredig is aan het voxel-volume. SNR is ook evenredig met de vierkantswortel van het aantal metingen. In levende mensen, hoewel meerdere beelden op een aantal afzonderlijke beeldvorming sessies kunnen worden verkregen, wordt de uiteindelijke resolutie beperkt door fysiologische ruis, zoals ademhaling, bloedsomloop pulsaties en hoofdbewegingen.

Hoog-Resolutie (0,35 mm in-plane voxels) PD gewogen scans werden verworven. PD scans verbeteren grijze en witte contrast in de thalamus ¹ en leiden tot beelden die T _{1 en} T2 te minimaliseren. Het beeld is afhankelijk van de dichtheid van protonen in de vorm van water en macromoleculen zoals proteïnen en vetten in het beeldvolume. Het toegenomen aantal protonen in een weefsel leidt tot een helderder signaal op het beeld als gevolg van de hogere longitudinale magnetisatie ^2.

PD-gewogen scans werden verzameld, aangezien ze een hoger contrast van subcorticale structuren met het omliggende weefsel. Andere contrasten, zoals T1- en T2-gewogen beelden tot moeilijkheden bij het ​​afbakenen subcorticale structuren zoals de LGN vanwege kleinere contrast-to-noise ratio, bepaald ƒ ^1,3.

Ook eerdere studies bleek dat PD-gewogen beelden van formaline gefixeerde post-mortem hersenen resulted hogere contrastverschillen tussen grijze en witte stof in vergelijking met T1 en T2-gewogen beelden die vergelijkbaar grijze en witte stof beeld intensiteiten ^3,4 had. De achterliggende biofysische factoren kunnen deze verschillen te verklaren. T1 (lengterichting) en T2 (dwars) ontspanning tijden van waterstofprotonen afhangen van hoe het water beweegt binnen het weefsel. Fixatieven zoals formaline werk van cross-linking proteïnen. De verschillen tussen watermobiliteit gereduceerd tussen verschillende weefseltypen als fixeermiddelen gebruikt. Verminderde T1 delen contrast waargenomen na fixatie, terwijl de verschillen in de relatieve dichtheid van protonen in hersenweefsel verhoogd fixatie betere contrast differentiatie ^{3, 4.}

Eerdere studies hebben de LGN die in PD-gewogen scans met behulp van een 1,5 T ^5,6,7, en op 3 T scanner ^8,9. Het is cruciaal om deze scans te kunnen verzamelen nauwkeurig overzicht van de omvang vande LGN. Om een ​​volledige dekking van de subcorticale kernen te behouden, werden 18-PD gewogen plakjes verkregen binnen de thalamus. Elk deel werd opnieuw bemonsterd om tweemaal de matrix 1024, (0,15 mm in-plane voxel grootte), aaneengeschakelde, beweging gecorrigeerd en gemiddeld om een ​​hoge resolutie 3D-beeld van de subcorticale structuren te produceren. Het optimale aantal PD afbeeldingen voor de volgende plak recept was 5, scantijd reduceren tot minder dan 15 min in levende mensen. Slechts 1 beeld PD moest duidelijk afbakenen subcorticale gebieden in postmortem hersenen afneemt scantijd tot minder dan 3 min (figuur 2 en 3).

Een hele formaline gefixeerde postmortem hersenen monster werd afgetast van een vrouw die was overleden aan een hartstilstand op de leeftijd van 82 jaar. Beoordeling van de medische dossiers bleek dat ze had: chronische obstructieve longziekte, angina, drievoudige bypassoperatie 8 jaar voorafgaand aan de dood, baarmoederkanker behandeld met hysterectomie7 jaar voor het overlijden, hyperlipidemie, glaucoom en cataract chirurgie. De postmortem brain monster werd immersie-gefixeerd in 10% neutraal gebufferd formaline gedurende ten minste 3 weken bij 4 ° C. De postmortem hersenen gescand met dezelfde imaging protocol en andere parameters in de loop van vele uren voor het kwaliteitsvergelijkingen . Alleen de geoptimaliseerde parameters zullen worden beschreven voor het protocol.

Protocol

1. Deelnemer en Postmortem Brain Set-Up

Opmerking: Alle beelden werden verkregen met behulp van een 3 T MRI scanner met een 32-kanaals hoofdspoel en al MRI scan werd uitgevoerd bij kamertemperatuur, ongeveer 20 ° C. Alle deelnemers waren rechtshandig en gaven schriftelijk informed consent. Elke deelnemer was in goede gezondheid met geen geschiedenis van neurologische aandoeningen. Het experimentele protocol werd goedgekeurd en volgt de richtlijnen van York University Human Deelnemers Review Committee.

1. Vraag elke deelnemer invullen en ondertekenen van een patiënt toestemmingsformulier dat MRI veiligheidsrichtlijnen en de neuro-imaging protocol details.
2. Voor elke deelnemer, plaatst oordoppen in elk oor en beveiligen van hun hoofd met pads om het hoofd beweging te minimaliseren.
3. Voor post-mortem brain imaging, zorg ervoor dat de hersenen wordt bevestigd voorafgaand aan neuroimaging en is opgenomen in een zak of container die past binnen de MRI-head-spoel. Plaats de postmortem hersenen in het hoofd-spoel met de z-as (superieur aan inferior) uitgelijnd met de boring van de scanner. De hersenstam (posterior) moet naar de richting van de voet van de scanner bed.
4. Plaats vacuüm kussen handen rond de post-mortem hersenen voor aanvullende ondersteuning.

2. lokaliseren en het voorschrijven van de subcortex

Opmerking: De thalamus is een tweevoudige gelobde structuur gelegen nabij het centrum van de hersenen ligt tussen de middenhersenen en de cerebrale cortex. Gelegen binnen de dorsale thalamus, de menselijke LGN is een klein subcorticale structuur die maximaal ~ 10 mm uitstrekt.

1. Om een ​​nieuwe deelnemer te registreren, opent u de MRI imaging software en klik op het tabblad Patient in de linker bovenhoek. Klik dan op Registreren.
2. Vul de juiste patiënt informatie, en klik vervolgens op het tabblad examen.
3. Om een ​​localizer scan, klikt u op het tabblad Examen Explorer om een ​​nieuw protocol te creëren. Let op de set-up venster op het scherm, klik op het tabblad Routine, en voer de volgende parameters: overnametijd 28 sec, acquisitie matrix van 160 × 160, 1 plak, 1,6 mm dik isotrope voxel grootte, FOV = 260 mm, FoV fase = 100%, slice resolutie = 69%, fase en snijd gedeeltelijke fase Fourier = 6/8, TR = 3,15 ms, TE = 1,37 ms, Flip Hoek = 8 °.
4. Overlay de slice selectie doos gebruikt voor het verwerven van de PD beelden over de localizer die de subcorticale kernen binnen de thalamus, evenals de omliggende structuren (figuur 4).

3. Hoge-resolutie structurele parameters

1. Maak een nieuw protocol voor het verkrijgen van een hoge-resolutie-PD-gewogen scans. In de set-up venster op het scherm, klik op het tabblad Routine, en voer de volgende parameters in het coronale oriëntatie: acquisitie tijd 179 sec, acquisitie matrix van 512 × 512 0,3 × 0,3 × 1 mm ³ voxelgrootte, TR = 3.25 sec , TE = 32 msec, flip hoek = 120 °, doorschoten slice overname, FoV lees = 160 mm, FoV fase = 100%, parallel imaging (GRAPPA) meteen versnelling factor 2.
   1. Gebruik een Turbo Spin Echo sequentie, met een Echo Trein Lengte van 5. De eerste echo bij 32 msec is de effectieve echo voor deze reeks. Verlaag de bandbreedte (BW) zo gering mogelijk, 40 Hz / pixel, de SNR maximaliseren. Om scan duur te verminderen, kiest 18 plakjes, elk 1 mm dik, met een FOV = 160 mm. Deze plaat biedt voldoende dekking van de subcorticale regio's van belang.
      OPMERKING: Voor een betrouwbare identificatie van subcorticale structuren, verwerven 5 runs met de bovenstaande parameters. De totale duur scan slechts ~ 15 min (figuur 5). Vet-verzadiging is niet in dienst.
2. Bij post-mortem brain imaging, kan betrouwbare identificatie van subcorticale structuren met één scan worden waargenomen met de totale duur van slechts ~ 3 min volgens hetzelfde protocol als in scanning 3,1 (figuur 6).

4. beeldanalyse

OPMERKING: Om de MRI-gegevens te analyseren, gebruik maken van de vrij beschikbare FMRIB'sSoftware Library (FSL) pakket beschikbaar voor download op (https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/).

1. Open een terminal venster, en zet de ruwe DICOM-bestanden van de scanner voor elke PD volume tot een Nifti formaat met een DICOM te Nifti converter. Een aantal daarvan zijn vrij beschikbaar om te downloaden (bijv., Https://www.nitrc.org/projects/mricron). In de opdrachtregel Typ dcm2nii gevolgd door de directory van elk PD gewogen image run.
2. In een terminal venster verkrijgen van de parameters van de originele PD scan. Typ fslinfo in de opdrachtregel gevolgd door de PD scan in Nifti formaat.
3. Creëer een high-resolution lege afbeelding doelvolume die twee keer de resolutie en de helft van de voxelgrootte gegeven door de parameters van fslinfo van de originele PD scan heeft. De volgorde van de data-ingangen van deze opdracht zijn:
   fslcreatehd
   LET OP: Als bijvoorbeeld de oorspronkelijke PD scan met de volgende parameters zoals beschreven in 3.1 worden verzameld (dwz 512 × 512 matrix, 18 slice, 0,3 × 0,3 × 1 mm ³ voxelgrootte, TR = 3,25 s), typt u de volgende in het commando venster:
   fslcreatehd 1024 1024 36 1 0,15 0,15 0,5 3,25 0 0 0 4 blankhr.nii.gz
4. Definieer de omzetting door middel van een identiteitsmatrix. Typ in een teksteditor programma een tekstbestand opgeslagen als 'identity.mat' die er zo uitziet:
   0 0 0
   1 0 0
   0 1 0
   0 0 1
5. Gebruik de flirt opdracht om de transformatie toe te passen, upsampling elk origineel PD gewogen run op de totale resolutie van een 512 te verdubbelen tot een matrix 1024 en halveer de voxel grootte in elke dimensie resulteert in een resolutie van 0,15 × 0,15× 0,5 mm ^3. In een terminal venster voor elk PD volume, typt u de volgende flirt commando veranderen van de originele en output namen per run:
   flirten -interp sinc -in originalPD.nii.gz -ref blankhr.nii.gz -applyxfm -init identity.mat uitchecken highresPD.nii.gz
   OPMERKING: Waar originalPD.nii.gz is de bron volume blankhr.nii.gz is de gewenste output-resolutie en highresPD.nii.gz is de naam van het volume.
6. Verplaats de beelden met hoge resolutie naar een nieuwe map, en ga naar het in een terminal venster.
7. Voor elke deelnemer, samenvoegen alle upsampled PD beelden in een enkel bestand met behulp van 4D fslmerge. In een terminal venster type:
   fslmerge -t concat_highresPD * .nii.gz
   NB: Dit creëert een 4D-bestand met de naam concat_highresPD.nii.gz.
8. Motion corrigeren aaneengeschakelde bestand met mcflirt ^10. Deze tool zorgt voor een geautomatiseerde robuuste registratie voor lineaire (affiene) inter en intermodale hersenen beelden. Selecteer een4-fase correctie die sinc interpolatie (intern) als een verdere optimalisering pas voor grotere nauwkeurigheid gebruikt. In een terminal venster type:
   mcflirt -in concat_highresPD uitchecken mcf_concat_highresPD.nii.gz -stages 4 -plots
   NB: Dit creëert een 4D-bestand met de naam mcf_concat_highresPD.nii.gz.
9. Tot slot maakt de 3D-beeld met behulp van fslmaths betekenen. In een terminal venster type:
   fslmaths mcf_concat_highresPD.nii.gz -Tmean mean_highresPD.nii.gz
   NB: Dit creëert een 3D-bestand genaamd mean_highresPD.nii.gz dat is van hoge kwaliteit
10. Visualiseer eindresultaat afbeelding in hoge resolutie 3D met behulp van de fslview commando. In de map waar uw afbeelding is, typ het volgende in een terminal venster:
    fslview mean_highresPD.nii.gz. "
11. Inspecteren intensiteit profielen van ROI's in kwestie. Maak een ROI met fslview (dit kan een verticale lijn over een gebied van het LGN bijvoorbeeld). In fslview laden beeld met een hoge resolutie PD. Klik op het tabblad Extra,klik dan op het tabblad enkele afbeelding om te vergroten het beeld voor het tekenen van ROI. Klik vervolgens op het tabblad Bestand, gevolgd door het tabblad Maken Masker. Trek een lijn in de ROI van belang. Sla de ROI door te klikken op Bestand en vervolgens op Opslaan als. Herhaal de lijn maskers voor meerdere gebieden binnen de ROI voor intensiteit vergelijkingen en andere ROI's in kwestie.
12. Gebruik 3dmaskdump bevel Afni aan de resulterende intensiteit van het beeld te analyseren. In de directory waar de beelden zijn, gebruikt u de volgende opdracht in een terminal venster om het beeld intensiteiten en de locatie te halen (gegeven als result_mask.txt) van uw ROI masker:
    3dmaskdump -o result_mask.txt -noijk -xyz -mask ROI_linemask.nii.gz PDaverage_image.nii.gz

Results

Zodra de subcortex is voorgeschreven in de thalamus worden PD gewogen beelden genomen binnen de slice selectiebox (figuur 4). De SNR verbeterd door het aantal gemiddelden in zowel postmortem en in vivo scans. Om de beeldkwaliteit te bepalen, de SNR van verschillende gemiddelden scan werd vergeleken door het signaal van het gemiddelde hersengebied delen door de standaardafwijking in bepaalde gebieden buiten de hersenen. De SNR werd berekend als SNR = 0,655 * p _tissue / σ<...

Discussion

Deze studie beschrijft een geoptimaliseerd protocol in acquisitie en analysetechniek om hoge-resolutie PD gewogen beelden van subcorticale regio's te verkrijgen. Een aantal aftastlijnen parameters getest en gemodificeerd met de belangrijkste plaatsen met betrekking tot matrixgrootte, voxelafmeting en bandbreedte om de SNR te verhogen en het aantal acquisities, een cruciale stap in het kunnen subcorticale structuren met hoge resolutie te bepalen verlagen. In combinatie met het vinden van de optimale parameters in lev...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Magnetom Trio 3T  MRI	Siemens (Erlangen, Duitsland).
Vacuum cushion hand	Siemens	Mat Nr: 4765454	Vervaardigd door: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg